(57)【要約】【課題】エネルギー効率及びエネルギー供給効率を向上させることができるエネルギー供給システム、エネルギー供給方法、エネルギー供給システムの改造方法を提供する。【解決手段】燃料を燃焼させて燃焼ガスを生じさせる燃焼器１２と、この燃焼ガスにより回転動力を得るガスタービン１０と、このガスタービン１０の排出ガスによって熱媒体を加熱する排熱回収ボイラ３０と、この排熱回収ボイラ３０によって加熱された熱媒体を更に加熱する熱交換器５４と、この熱交換器５４が加熱した熱媒体を圧縮する多段圧縮機５３と、排熱回収ボイラ３０が加熱した一部の熱媒体で圧縮機５３ａ，５３ｂを駆動する蒸気タービン５１と、圧縮機５３ａ，５３ｂを連絡する配管６０を流通する熱媒体で燃料を加熱する熱交換器４５と、蒸気タービン５１を駆動した蒸気及び多段圧縮機５３で圧縮した蒸気を熱利用施設１に供給する蒸気供給系統７０とを備える。【選択図】図１
2007198200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を燃焼させて燃焼ガスを生じさせる燃焼器と、
この燃焼器からの燃焼ガスにより回転動力を得るガスタービンと、
このガスタービンの排出ガスによって熱媒体を加熱する排熱回収ボイラと、
この排熱回収ボイラによって加熱された熱媒体を廃熱又は周囲環境から得られる熱により加熱する第１熱交換器と、
この第１熱交換器によって加熱された熱媒体を圧縮する複数の圧縮手段と、
前記排熱回収ボイラによって加熱された熱媒体の一部から得た膨張仕事を回転動力にかえて前記複数の圧縮手段を駆動する蒸気タービンと、
前記複数の圧縮手段の間を連絡する熱媒体流路を流通する熱媒体により前記燃焼器に供給される燃料を加熱する第２熱交換器と、
前記蒸気タービンを駆動した熱媒体及び前記複数の圧縮手段で圧縮した熱媒体を気体の状態で熱利用施設に熱源として供給する蒸気供給系統とを備えることを特徴とするエネルギー供給システム。
【請求項２】
燃料を燃焼させて燃焼ガスを生じさせる燃焼器と、
この燃焼器からの燃焼ガスにより回転動力を得るガスタービンと、
このガスタービンの排出ガスによって熱媒体を加熱する排熱回収ボイラと、
この排熱回収ボイラによって加熱された熱媒体を廃熱又は周囲環境から得られる熱により加熱する第１熱交換器と、
この第１熱交換器によって加熱された熱媒体を圧縮する複数の圧縮手段と、
前記排熱回収ボイラによって加熱された熱媒体の一部から得た膨張仕事を回転動力にかえて前記複数の圧縮手段を駆動する蒸気タービンと、
前記複数の圧縮手段の間を連絡する熱媒体流路を流通する熱媒体により前記燃焼器に供給される燃料を加熱する第２熱交換器と、
前記蒸気タービンを駆動した熱媒体及び前記複数の圧縮手段で圧縮した熱媒体を気体の状態で熱利用施設に熱源として供給する蒸気供給系統と、
前記熱利用施設で熱利用されて凝縮された熱媒体を前記排熱回収ボイラに循環させる循環ポンプとを備えることを特徴とするエネルギー供給システム。
【請求項３】
請求項１または２記載のエネルギー供給システムにおいて、
更に、前記熱媒体流路の少なくとも１カ所に、前記排熱回収ボイラで加熱した熱媒体を直接噴霧して前記熱媒体流路を流通する熱媒体の温度を減温する熱媒体噴霧部を備えることを特徴とするエネルギー供給システム。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれか記載のエネルギー供給システムにおいて、
更に、前記燃焼器の燃料流通方向上流側に設けられ、前記複数の圧縮手段を流通する圧縮途中の熱媒体を燃料中に直接注入して燃料を加熱する熱媒体注入部を備えることを特徴とするエネルギー供給システム。
【請求項５】
請求項４記載のエネルギー供給システムにおいて、
前記熱媒体注入部は前記燃焼器の燃料流通方向上流側かつ前記第２熱交換器の燃料流通方向下流側に設けられていることを特徴とするエネルギー供給システム。
【請求項６】
燃焼器で燃料を燃焼させて得た燃焼ガスによりガスタービンを駆動し、
このガスタービンの排出ガスによって排熱回収ボイラで熱媒体を加熱し、
この排熱回収ボイラによって加熱された熱媒体を廃熱又は周囲環境から得られる熱により第１熱交換器で加熱し、
この第１熱交換器によって加熱された熱媒体を複数の圧縮手段で圧縮し、
前記排熱回収ボイラによって加熱された熱媒体の一部から得た膨張仕事を回転動力にかえて前記複数の圧縮手段を駆動する蒸気タービンを駆動し、
前記複数の圧縮手段の間を連絡する熱媒体流路を流通する熱媒体により前記燃焼器に供給される燃料を第２熱交換器で加熱し、
前記蒸気タービンを駆動した熱媒体及び前記複数の圧縮手段で圧縮した熱媒体を気体の状態で熱利用施設に熱源として供給することを特徴とするエネルギー供給方法。
【請求項７】
燃焼器で燃料を燃焼させて得た燃焼ガスにより回転動力を得る既設のガスタービンに、
このガスタービンの排出ガスによって熱媒体を加熱する排熱回収ボイラと、
この排熱回収ボイラによって加熱された熱媒体を廃熱又は周囲環境から得られる熱により加熱する第１熱交換器と、
この第１熱交換器によって加熱された熱媒体を圧縮する複数の圧縮手段と、
前記排熱回収ボイラによって加熱された熱媒体の一部から得た膨張仕事を回転動力にかえて前記複数の圧縮手段を駆動する蒸気タービンと、
前記複数の圧縮手段の間を連絡する熱媒体流路を流通する熱媒体により前記燃焼器に供給される燃料を加熱する第２熱交換器と、
前記蒸気タービンを駆動した熱媒体及び前記複数の圧縮手段で圧縮した熱媒体を気体の状態で熱利用施設に熱源として供給する蒸気供給系統とを追設することを特徴とするエネルギー供給システムの改造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンを用いて熱利用施設に熱エネルギーを供給するエネルギー供給システム、エネルギー供給方法、及び既設の設備を利用したエネルギー供給システムの改造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
システムのエネルギー効率の向上を狙ったものの１つとしてコジェネレーションシステムにヒートポンプを利用したものがある。ヒートポンプとは大気の熱や排熱等を圧縮機等を利用して効率良く汲み上げるものである。この種の技術として、例えば、ヒートポンプで生成した温水や冷水等の液体状態の熱媒体をシステム内の洗浄水や冷却水等として利用する技術がある（特許文献１等参照）。
【０００３】
【特許文献１】特公平７−４２１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、熱利用施設に熱エネルギーを供給する場合、温水や冷水を熱媒体としても媒体重量当りに搬送できるエネルギー量を十分に確保することは難しい。そのため、上記のような技術を適用して、ヒートポンプを利用して得た液体状の熱媒体を熱利用施設に供給する構成を採ったとしても、エネルギー供給システムの設置場所が熱利用施設に近い範囲に限定されてしまう。
【０００５】
本発明は、エネルギー効率及びエネルギー供給効率を向上させることができるエネルギー供給システム、エネルギー供給方法、エネルギー供給システムの改造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明は、上記目的を達成するために、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生じさせる燃焼器と、この燃焼器からの燃焼ガスにより回転動力を得るガスタービンと、このガスタービンの排出ガスによって熱媒体を加熱する排熱回収ボイラと、この排熱回収ボイラによって加熱された熱媒体を廃熱又は周囲環境から得られる熱により加熱する第１熱交換器と、この第１熱交換器によって加熱された熱媒体を圧縮する複数の圧縮手段と、前記排熱回収ボイラによって加熱された熱媒体の一部から得た膨張仕事を回転動力にかえて前記複数の圧縮手段を駆動する蒸気タービンと、前記複数の圧縮手段の間を連絡する熱媒体流路を流通する熱媒体により前記燃焼器に供給される燃料を加熱する第２熱交換器と、前記蒸気タービンを駆動した熱媒体及び前記複数の圧縮手段で圧縮した熱媒体を気体の状態で熱利用施設に熱源として供給する蒸気供給系統とを備えるものとする。
【０００７】
（２）また、本発明は、上記目的を達成するために、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生じさせる燃焼器と、この燃焼器からの燃焼ガスにより回転動力を得るガスタービンと、このガスタービンの排出ガスによって熱媒体を加熱する排熱回収ボイラと、この排熱回収ボイラによって加熱された熱媒体を廃熱又は周囲環境から得られる熱により加熱する第１熱交換器と、この第１熱交換器によって加熱された熱媒体を圧縮する複数の圧縮手段と、前記排熱回収ボイラによって加熱された熱媒体の一部から得た膨張仕事を回転動力にかえて前記複数の圧縮手段を駆動する蒸気タービンと、前記複数の圧縮手段の間を連絡する熱媒体流路を流通する熱媒体により前記燃焼器に供給される燃料を加熱する第２熱交換器と、前記蒸気タービンを駆動した熱媒体及び前記複数の圧縮手段で圧縮した熱媒体を気体の状態で熱利用施設に熱源として供給する蒸気供給系統と、前記熱利用施設で熱利用されて凝縮された熱媒体を前記排熱回収ボイラに循環させる循環ポンプとを備えるものとする。
【０００８】
（３）上記（１）又は（２）は、好ましくは、更に、前記熱媒体流路の少なくとも１カ所に、前記排熱回収ボイラで加熱した熱媒体を直接噴霧して前記熱媒体流路を流通する熱媒体の温度を減温する熱媒体噴霧部を備えるものとする。
【０００９】
（４）上記（１）から（３）いずれかは、好ましくは、更に、前記燃焼器の燃料流通方向上流側に設けられ、前記複数の圧縮手段を流通する圧縮途中の熱媒体を燃料中に直接注入して燃料を加熱する熱媒体注入部を備えるものとする。
【００１０】
（５）上記（４）は、好ましくは、前記熱媒体注入部は前記燃焼器の燃料流通方向上流側かつ前記第２熱交換器の燃料流通方向下流側に設けられているものとする。
【００１１】
（６）本発明は、上記目的を達成するために、燃焼器で燃料を燃焼させて得た燃焼ガスによりガスタービンを駆動し、このガスタービンの排出ガスによって排熱回収ボイラで熱媒体を加熱し、この排熱回収ボイラによって加熱された熱媒体を廃熱又は周囲環境から得られる熱により第１熱交換器で加熱し、この第１熱交換器によって加熱された熱媒体を複数の圧縮手段で圧縮し、前記排熱回収ボイラによって加熱された熱媒体の一部から得た膨張仕事を回転動力にかえて前記複数の圧縮手段を駆動する蒸気タービンを駆動し、前記複数の圧縮手段の間を連絡する熱媒体流路を流通する熱媒体により前記燃焼器に供給される燃料を第２熱交換器で加熱し、前記蒸気タービンを駆動した熱媒体及び前記複数の圧縮手段で圧縮した熱媒体を気体の状態で熱利用施設に熱源として供給するものとする。
【００１２】
（７）本発明は、上記目的を達成するために、燃焼器で燃料を燃焼させて得た燃焼ガスにより回転動力を得る既設のガスタービンに、このガスタービンの排出ガスによって熱媒体を加熱する排熱回収ボイラと、この排熱回収ボイラによって加熱された熱媒体を廃熱又は周囲環境から得られる熱により加熱する第１熱交換器と、この第１熱交換器によって加熱された熱媒体を圧縮する複数の圧縮手段と、前記排熱回収ボイラによって加熱された熱媒体の一部から得た膨張仕事を回転動力にかえて前記複数の圧縮手段を駆動する蒸気タービンと、前記複数の圧縮手段の間を連絡する熱媒体流路を流通する熱媒体により前記燃焼器に供給される燃料を加熱する第２熱交換器と、前記蒸気タービンを駆動した熱媒体及び前記複数の圧縮手段で圧縮した熱媒体を気体の状態で熱利用施設に熱源として供給する蒸気供給系統とを追設するものとする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、エネルギー効率及びエネルギー供給効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１５】
図１は本発明の第１の実施の形態に係るエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。
【００１６】
図１に示すように、本エネルギー供給システムは、燃焼エネルギーを駆動力に変換する原動機であるガスタービン１０と、ガスタービン１０から排出される燃焼ガス（排出ガス）を加熱源とする排熱回収ボイラ３０と、排熱回収ボイラ３０から供給される蒸気で駆動するヒートポンプ５０と、ヒートポンプ５０で生成した蒸気を熱利用施設１に供給する蒸気供給系統７０と、熱利用施設１で熱源として利用され凝縮した熱媒体が流通する配管４４と、配管４４内の熱媒体を排熱回収ボイラ３０へ循環供給する循環ポンプ３５とを備えている。
【００１７】
ガスタービン１０は、大気Ａを吸い込んで圧縮する圧縮機１１と、燃料Ｂを流通する燃料配管１５と、燃料配管１５に設けられ、燃料Ｂをヒートポンプ５０からの熱（後述する）で加熱する熱交換器４５と、熱交換器４５によって加熱された燃料Ｂを圧縮機１１からの圧縮空気とともに燃焼させて高温・高圧の燃焼ガスを生じさせる燃焼器１２と、燃焼器１２からの燃焼ガスにより回転動力を得るタービン１３とを備えている。燃焼器１２で燃焼させる燃料には、天然ガスの他に、天然ガスを主成分とする都市ガス、ジメチルエーテルのような合成ガス、或いは灯油や軽油、Ａ重油等も用いることができる。また、本実施の形態では、タービン１３と同軸上に回転軸をもって発電機１４が連結されており、この発電機１４によってタービン１３の回転動力を電気エネルギーに変換する場合の構成を図示しているが、ガスタービン１０には、発電機１４に代えて、ポンプ等の他の負荷機器が連結される場合もある。
【００１８】
排熱回収ボイラ３０は、熱源であるガスタービン１０からの燃焼ガス（排出ガス）の流通方向下流側から上流側に向かって順に、熱利用施設１から供給される熱媒体を加熱する低圧側の熱交換器３１と、この加熱された熱媒体の一部がヒートポンプ５０へ分岐する分岐部３６と、分岐部３６で分岐した熱媒体が流通する配管３７と、配管３７を流通する熱媒体を圧送する高圧ポンプ３９と、熱交換器３１で加熱した熱媒体をさらに加熱して蒸気にする高圧側の熱交換器３４とを備えている。また、排熱回収ボイラ３０の排出ガス流通方向の下流側には、排熱回収ボイラ３０内で熱交換を終えた排出ガスを大気中へ放出する煙突４３が備えられている。
【００１９】
熱利用施設１で熱源として利用されて凝縮した熱媒体が流通する配管４４は、熱媒体流通方向下流側において、排熱回収ボイラ３０内の熱交換器３１と接続している。熱交換器３１は熱媒体流通方向の下流側で分岐部３６と接続している。この分岐部３６は、熱媒体流通方向の下流側において、ヒートポンプ５０と連結された配管３８、及び排熱回収ボイラ３０内の熱交換器３４と連結された配管３７が接続している。配管３７は、高圧ポンプ３９を介して熱交換器３４と接続しており、熱交換器３１が加熱した熱媒体を熱交換器３４に供給している。熱交換器３４は、排熱回収ボイラ３０内における排出ガス流通方向の上流側に設けられており、熱媒体流通方向の下流側において、ヒートポンプ５０へ繋がる配管４２と接続している。
【００２０】
ヒートポンプ５０は、排熱回収ボイラ３０から配管４２を介して供給される熱媒体（蒸気）によって駆動する蒸気タービン５１と、同じく排熱回収ボイラ３０から配管３８を介して供給される熱媒体（高温水）によって駆動する二相流膨張タービン５２と、二相流膨張タービン５２を流通した熱媒体（高温水及び蒸気）を外部の熱（例えば、熱利用施設１の排水や大気等の熱）を利用して加熱することで気体の状態（蒸気）にする熱交換器（蒸発器）５４と、熱交換器５４によって加熱された熱媒体（蒸気）を圧縮する多段圧縮機５３とを備えている。
【００２１】
多段圧縮機５３は、本実施の形態では２段の圧縮機から構成されており、低圧側の圧縮機第一段５３ａと高圧側の圧縮機第二段５３ｂを有している（以下、適宜、単に圧縮機５３ａ、圧縮機５３ｂとも表記する。）。圧縮機第一段５３ａの熱媒体流通方向の下流側には、これら圧縮機５３ａ，５３ｂの間を熱媒体が流通可能なように圧縮機５３ａ，５３ｂを連絡する配管６０が設けられている。この配管６０の圧縮機第二段５３ｂまでの経路には前述の熱交換器４５が設けられており、配管６０は熱交換器４５内部を通過するように配されている。このようにして熱交換器４５中でガスタービン１０の燃料は配管６０中を流通する熱媒体を熱源として加熱される。なお、熱交換器５４によって気体の状態となった熱媒体（蒸気）を圧縮する圧縮手段は、図に示したような２段の圧縮機から成る多段圧縮機５３のみに限られず、少なくとも２段の圧縮手段から構成されるものであれば良い。これは、２段の圧縮手段の間にガスタービン１０の燃料Ｂと熱交換できる熱交換器を少なくとも１器設置することによって、圧縮途中の熱媒体を燃料加熱等の熱源として利用できれば良いからである。従って、例えば、単段圧縮機を２機以上備えて単段圧縮機の間に熱交換器４５を設けたり、２段以上の圧縮段を有する多段圧縮機の圧縮段の間に熱交換器４５を設けたり、又は、複数の多段圧縮機を備えて多段圧縮機の間に熱交換器４５を設けたりする等しても勿論良い。
【００２２】
蒸気タービン５１、多段圧縮機５３、及び二相流膨張タービン５２は同軸上に設けられており、多段圧縮機５３は蒸気タービン５１及び二相流膨張タービン５２の回転動力によって駆動されている。二相流膨張タービン５２は、熱媒体流通方向の上流側で配管３８を介して排熱回収ボイラ３０と接続しており、これと反対の下流側では熱交換器５４と接続している。
【００２３】
熱交換器５４は、内部に例えば熱利用施設１の排水や大気等を通す配管８３を有しており、この配管８３内を流通する熱源によって熱媒体を加熱している。また、熱媒体流通方向の下流側では多段圧縮機５３の圧縮機第一段５３ａと接続している。圧縮機第一段５３ａは配管６０を介して圧縮機第二段５３ｂと接続しており、この配管６０には熱交換器４５が設けられている。また、蒸気タービン５１は、熱媒体流通方向の上流側において配管４２を介して排熱回収ボイラ３０と接続している。
【００２４】
蒸気供給系統７０は、蒸気タービン５１の出口と接続されている配管７１と、圧縮機第二段５３ｂの出口と接続されている配管７２と、これら配管７１，７２の下流側に接続されている合流器７３と、合流器７３と熱利用施設１を接続する配管７４とを備えている。本実施の形態では、蒸気タービン５１を駆動した蒸気、及び、二相流膨張タービン５２や熱交換器５４で生成された後に多段圧縮機５３（圧縮機第一段５３ａ及び圧縮機第二段５３ｂ）によって圧縮された蒸気は、それぞれ配管７１，７２を流通した後に合流器７３で合流し、配管７４を流通して熱利用施設１に供給されている。
【００２５】
なお、本システムを構築する場合、勿論、システム全体を新たに構築しても良いが、既設のガスタービンや排熱回収ボイラ等が存在する場合、それら既存設備に適宜改造を施しても本システムは構築可能である。
【００２６】
例えば、ガスタービン１０が既に存在している場合、ガスタービン１０に排熱回収ボイラ３０を取り付け、ガスタービン１０の排出ガスにより熱媒体を加熱して蒸気を生成するようになす。そしてヒートポンプ５０を追設して排熱回収ボイラ３０に接続し、排熱回収ボイラ３０からの蒸気で蒸気タービン５１が駆動するとともに、排熱回収ボイラ３０で加熱した熱媒体が熱交換器５４によって加熱されて蒸気を生成されるようにする。また、多段圧縮機５３を流通する熱媒体によってガスタービン１０の燃料を加熱できるように熱交換器４５を追設する。次に、ヒートポンプ５０と熱利用施設１とを蒸気供給系統７０で接続し、蒸気タービン５１で膨張仕事をした蒸気と熱交換器５４で生成した蒸気とが熱利用施設１に供給されるように構成し、熱利用施設１で熱利用されて凝縮した熱媒体が循環ポンプ３５によって排熱回収ボイラ３０に循環されるように構成する。
【００２７】
また、排熱回収ボイラ３０（或いは他の排熱回収ボイラ）が既に存在する場合は、既存の排熱回収ボイラに熱媒体を流通させるようになし、上記と同じ要領で、ヒートポンプ５０、熱交換器４５、蒸気供給系統７０、循環ポンプ３５等を設ければ良い。
【００２８】
次に本実施の形態のエネルギー供給システムの動作を説明する。
【００２９】
大気Ａが圧縮機１１に吸い込まれると、吸い込まれた空気は圧縮機１１によって圧縮されて設定圧力（例えば０．８［ＭＰａ］程度）に加圧されるとともに設定温度（例えば２６０［℃］程度）まで加熱される。一方、燃料Ｂが燃料配管１５を介して熱交換器４５内に流通されると、ヒートポンプ５０内の圧縮機第一段５３ａによって圧縮加熱された熱媒体によって、燃料Ｂは配管６０を介して加熱される。熱交換器４５は、このように燃料Ｂを加熱することによって、常温の同量の燃料を用いる場合と比較して、燃焼器１２への入熱量を増加することができる。
【００３０】
このように加熱された大気Ａ及び燃料Ｂは、共に燃焼器１２に供給された後に燃焼され、高温・高圧の燃焼ガスとなってタービン１３に供給される。この燃焼ガスの膨張仕事等によりタービン１３には回転動力が与えられ、この回転動力を伝達された発電機１４は電気エネルギーを発生する。タービン１３を回転させた後の燃焼ガス（排出ガス）は、続いて、熱利用施設１から供給される熱媒体を加熱するための熱源として排熱回収ボイラ３０に導かれる。燃焼ガス（排出ガス）の温度はタービン１３の出口付近では高温（例えば６４０［℃］程度）であるが、排熱回収ボイラ３０内の熱交換器３４，３１を順次通過しながら、循環ポンプ３５によって供給される熱媒体と熱交換するため、煙突４３から排出されるまでには温度が低減される。
【００３１】
排熱回収ボイラ３０には、燃焼ガス流れ方向の下流側に配管４４が接続されており、この配管４４を介して熱利用施設１で熱源として利用されて凝縮した所定温度（例えば６０［℃］程度）の熱媒体が供給されている。この熱媒体は排熱回収ボイラ３０に至るまでに循環ポンプ３５によって設定圧力（例えば０．６［ＭＰａ］程度）まで加圧されている。排熱回収ボイラ３０内に供給されたこの熱媒体は、低圧側熱交換器３１に供給されてガスタービン１３の燃焼ガス（排出ガス）によって設定温度（例えば１２０［℃］程度）まで昇温されて高温水となる一方で、この熱交換器３１による圧力損失を受けて所定圧力（例えば０．５［ＭＰａ］程度）まで減圧された状態で分岐部３６へ供給される。そして、この熱媒体は分岐部３６で配管３７、配管３８に分流する。
【００３２】
配管３７に導かれた熱媒体は、高圧ポンプ３９で設定圧力（例えば７．４［ＭＰａ］程
度）まで昇圧されて、高圧側熱交換器３４に導かれる。高圧側熱交換器３４に導かれた熱媒体は、設定された温度及び圧力（例えば５００［℃］程度、７．０［ＭＰａ］程度）に昇温昇圧され過熱蒸気となり、配管４２を介してヒートポンプ５０の動力源である蒸気タービン５１に供給される。
【００３３】
高圧側熱交換器３４を出た設定圧力（例えば７．０［ＭＰａ］程度）の熱媒体（過熱蒸気）は蒸気タービン５１で膨張仕事をする。このとき、この熱媒体は熱利用施設１で熱源として用いられる際の設定圧力（例えば０．４［ＭＰａ］程度）まで減圧される。蒸気タービン５１で得られた回転動力は、二層流膨張タービン５２及び多段圧縮機５３に伝達されて、それらを駆動する。
【００３４】
他方、配管３８に導かれた熱媒体はヒートポンプ５０内の二相流膨張タービン５２に供給される。この熱媒体は低圧側熱交換器３１を出たところでは飽和蒸気に近い高温水（例えば１２０［℃］、０．５［ＭＰａ］程度）となっている。二相流膨張タービン５２における熱媒体は、膨張過程で所定割合が蒸発して二相流を成し、タービン５２を駆動して減温・減圧（例えば６０［℃］、０．０２［ＭＰａ］程度）される。ここで、蒸気相と分離した液相はタービン５２を出て熱交換器５４内の配管８３を流れる熱利用施設１の排熱（例えば６０〜８０［℃］程度）により加熱されて蒸発し、蒸気相と共に多段圧縮機５３内の圧縮機第一段５３ａに供給される。なお、この配管８３を流通する熱源は、熱利用施設１の排熱、大気熱等の周囲環境から得られる熱等を利用しても勿論良い。
【００３５】
低圧側の圧縮機第一段５３ａに供給された熱媒体（蒸気）は、この圧縮機５３ａによって加圧されることで加熱され、配管６０に導かれる。加熱された熱媒体は、下流に設けられた熱交換器４５内を通過する際、燃焼器１２に供給される前の燃料Ｂと熱交換して減温する。このように圧縮機５３ａで昇圧した熱媒体の温度を減温すると気体密度が高くなる。一般的に気体密度が高いほど加圧する際の圧縮動力は少なくて済むので、このように熱媒体を減温すると、熱媒体が高圧側の圧縮機第二段５３ｂで圧縮される際に少ない圧縮動力で所定圧力まで加圧することが可能となる。このように本実施の形態では、各圧縮機５３ａ，５３ｂの中間で熱交換器４５を用いて熱媒体を冷却して気体密度を増加させることによって、圧縮時に必要な圧縮動力を低減して効率低下を抑制している。
【００３６】
圧縮機第二段５３ｂによって設定圧力（例えば０．４［ＭＰａ］程度）まで加圧された蒸気は熱源として熱利用施設に供給されるために配管７２を介して合流器７３に流通される。この合流器７３では蒸気タービン５１を駆動した蒸気も配管７１によって供給されており、排熱回収ボイラ３０内の分岐部３６で分流した熱媒体がここで再び合流する。合流した熱媒体は配管７４を介して加熱源（１４０［℃］程度）として熱利用施設１に供給される。
【００３７】
熱利用施設１内で熱を放出して凝縮した熱媒体（例えば６０［℃］程度）は熱利用施設１から排出され、適宜浄化された後に配管４４に戻り、再び循環ポンプ３５によって排熱回収ボイラ３０に循環供給される。
【００３８】
次に本実施の形態における作用効果について説明する。
【００３９】
本実施の形態は、熱利用施設１へ蒸気（気体）の状態の熱媒体を供給することにより、熱媒体を液体の状態のまま供給する場合に比べ、媒体重量当りに搬送できるエネルギー量を飛躍的に向上させることができる。したがって、熱を輸送する動力を小さくできるのでエネルギー供給効率が向上し、本システムを熱利用施設１と近い場所に設置する必要がなくなり、離れた場所にも設置することが可能となる。また、熱利用施設１に供給する蒸気を生成するためにヒートポンプ５０を利用することにより、排熱回収ボイラ５０の熱エネルギー、言い換えればガスタービン１０に投入する燃料エネルギーに加えて、熱利用施設１等から出る排熱や周囲環境の熱エネルギーをも系内に取り込むことができるので、エネルギー効率も飛躍的に向上させることができる。
【００４０】
ここで、ヒートポンプ５０の性能を示すエネルギー消費効率（ＣＯＰ）は、多段圧縮機５３の駆動に用いられる動力と熱交換器５４で熱媒体に与えられる熱量との比で定義される。そして、このＣＯＰ値をパラメータとして、燃焼器１２に投入された燃料Ｂのエネルギーを分母とし、発電機１４によって得られる発電量と熱利用施設１に配管７４を介して供給される熱媒体の熱量の合計を分子としたものを総合効率と定義する。
【００４１】
このとき、例えば、本システム各所の熱媒体や排出ガスの圧力及び温度が上記動作説明の括弧書きのような値を示すとすると、本システムの総合効率は、ＣＯＰ値が１．７を超えると１００％を超え、ＣＯＰ値を５まで向上させると１２８％になる。これは、燃焼器１２に投入される燃料Ｂのエネルギーとは別に、熱交換器５４で外部からの熱エネルギー（排熱や大気熱等）をヒートポンプ５０によって取り込んでいるからである。また、本システム内の熱媒体を循環させる循環ポンプ３５や、排熱回収ボイラ３０で熱媒体を昇圧する高圧ポンプ３９で用いる動力なども熱媒体の加熱に寄与している。
【００４２】
また、一般的なコジェネレーションシステムの総合効率は８０％程度であるが、これと比較して本実施形態のシステムの総合効率は上記のように極めて高く、COP値を４程度まで向上し、総合効率を１２５％まで高めることができる。また、計算上、総合効率８０％程度の一般的なコジェネレーションシステムと比較して、本システムは地球温暖化に影響するＣＯ２の発生量を３６％程度も削減することが可能である。本システムにおける熱的損失は、排熱回収ボイラ３０から煙突４３によって大気放出される排出ガスＣと圧縮機１１に吸い込まれる大気Ａとの温度差分の熱量である。したがって、この熱損失よりも大きな熱量を熱交換器５４で外部から取り込めば本システムの総合効率は１００％を超える。
【００４３】
またさらに、本実施の形態は上記のように、圧縮機５３ａ、５３ｂを連絡する配管６０を流通する熱媒体によって、燃焼器１２に供給される燃料Ｂを加熱する熱交換器４５を備えている。この熱交換器４５でガスタービン１０の燃料Ｂを加熱することによって、常温の同量の燃料を用いた場合と比較して、燃焼器１２への入熱量を増やすことができる。これにより燃料の量を削減しても同条件の燃焼を達成することが可能となるので、エネルギー効率を向上させることができる。
【００４４】
また、本システムに用いる燃料として多種の燃料が利用できることは前述したが、加圧すると液化してしまうジメチルエーテル等は、配管内で加熱することにより微粒化特性を良くする必要がある。また、重油のような液体燃料についても、加熱することにより粘性を下げ微粒化特性を良くする必要がある。本実施の形態のシステムは、このような加熱を要する燃料を用いる場合にも、ヒートポンプ５０内の多段圧縮機５３で発生する余分な熱を熱交換器４５で燃料加熱に利用することが可能であり、エネルギー効率の良いシステムを構築することができる。
【００４５】
またさらに、燃料を加熱する場合には、一般に発火の危険性等を考慮しなければならないが、本実施の形態における加熱媒体は蒸気であり、万が一配管が破損等した場合に燃料中に蒸気が漏れるようなことがあっても、発火する危険性は低く、安全なシステムを提供することができる。
【００４６】
ところで、本発明は、このように熱交換器４５によって燃料Ｂが加熱されて上記のような効果が得られる一方で、燃料Ｂと熱交換して熱媒体が多段圧縮機５３の中間で冷却されることによって、圧縮機第二段５３ｂの圧縮動力を低減できるという効果も更に得ることができる。以下、この効果について説明する。
【００４７】
例えば、圧縮機５３ａ及び圧縮機５３ｂによって、０．０１［ＭＰａ］の蒸気を０．４［ＭＰａ］まで圧縮する場合を考える。この場合、圧縮機５３ａ，５３ｂの間において熱媒体の中間冷却を行わなければ、圧縮機の圧縮効率を１００％と仮定しても媒体温度（蒸気温度）は４９０［℃］程度にまで達してしまう。また、圧縮効率を８５％程度とすると蒸気温度は約５５０［℃］にも達する。ここで、後者の例で考えると、０．０１［ＭＰａ］の飽和蒸気（熱媒体）を所定圧力０．４［ＭＰａ］まで加圧する際に必要となる圧縮機５３ａ，５３ｂの動力は、蒸気の飽和温度（４６［℃］）と加圧後の所定圧力到達時の温度（約５５０［℃］）の温度差に相当するエネルギーが必要となってしまい、エネルギー効率が非常に悪くなってしまう。
【００４８】
これに対して、圧縮５３ａ，５３ｂ間に熱交換器４５を設けて熱媒体の中間冷却を行うと、燃料Ｂによる冷却によって熱媒体の密度を増加することができる。一般に、気体密度が高いほど加圧する際の圧縮機の圧縮動力は少なくて済むので、この熱媒体を高圧側の圧縮機第二段５３ｂで圧縮する際、少ない圧縮動力で所定圧力まで加圧することが可能となる。このように本実施の形態では、圧縮機５３ａ，５３ｂの中間で熱交換器４５を用いて熱媒体を冷却して気体密度を増加させることによって、圧縮時に必要な圧縮動力を低減してエネルギー効率の低下を抑制することができる。
【００４９】
また、本実施の形態では、蒸気タービン５１で得られた動力を電力に変換することなく、ヒートポンプ５０の多段圧縮機５３や二相流膨張タービン５２の駆動力に用いるので、電力変換に伴うエネルギー損失もない。また、蒸気タービン５１で膨張仕事をした後の蒸気とヒートポンプ５０で生成した蒸気とを混合して共通の配管７４で熱利用施設１に輸送することで、無駄なくより多くの熱媒体を熱利用施設１に供給することができる。これらの点も本システムの大きなメリットである。
【００５０】
さらには、利用されることのない排熱を大気に放出するガスタービン等の原動機設備、或いは排熱回収ボイラ設備等が既に存在している場合、そうした既存の設備を改造して容易にシステムを構築することができることも、本システムの大きなメリットである。
【００５１】
次に本発明の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。
図２は本発明の第２の実施の形態に係るエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。図中、図１と同じ部分には同じ符号を付し説明は省略する。
【００５２】
図２に示すように、本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、配管６０Ａにおける熱交換器４５の出口から圧縮機第二段５３ｂの入口までの間に混合器８２を設けるとともに、排熱回収ボイラ３０の低圧側熱交換器３１の出口から二相流膨張タービン５２の入口を接続する配管３８Ａに分岐部８０を設けて、分岐部８０から分流した熱媒体を配管８１を介して混合器８２内に噴霧することによって、配管６０Ａ内の熱媒体を減温できるようにした点である。なお、その他については、前述した第１の実施の形態と同様であり、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５３】
ヒートポンプ５０Ａは、第１の実施の形態のヒートポンプ５０の構成に加えて、更に、配管３８Ａを流通する熱媒体（高温水）を分流する分岐部８０と、この分岐部８０から熱媒体の一部が流通する配管８１と、配管８１から供給される熱媒体（高温水）を直接噴霧して多段圧縮機５３内を流通する熱媒体（蒸気）の温度を減温する混合器８２とを備えている。
【００５４】
分岐部８０は、排熱回収ボイラ３０の分岐部３６とヒートポンプ５０Ａの二相流膨張タービン５２の入口とを接続する配管３８Ａに設けられ、配管８１に接続している。配管８１は、熱媒体流通方向の上流側において分岐部８０に、熱媒体流通方向の下流側において混合器８２に接続している。この配管８１の内部には配管３８Ａを流通する高温水（熱媒体）の一部が分岐部８０を介して流通している。混合器８２は圧縮機第一段５３ａと圧縮機第二段５３ｂを接続する配管６０Ａにおける熱交換器４５の出口から圧縮機第二段５３ｂの入口までの部分に設けられている。この混合器８２内では、配管６０Ａを流通する蒸気（熱媒体）に対して配管８１を流通する高温水が噴霧されており、配管６０Ａを流通する蒸気の温度を低減させている。
【００５５】
本実施の形態において、循環ポンプ３５によって送給される熱媒体は、排熱回収ボイラ３０内の低圧側熱交換器３１で加熱されて高温水となり、分岐部３６で分流した後に配管３８Ａへ流通する。配管３８Ａに導かれた高温水は、更に、分岐部８０を介して配管８１を流通して混合器８２へ直接噴霧される。一方、圧縮機第一段５３ａによって圧縮された蒸気は、配管６０Ａを介して熱交換器４５に導かれて燃料Ｂと熱交換する。燃料Ｂと熱交換した（即ち、冷却された）蒸気は、次に、圧縮機５３へ供給される前に混合器８２内に導かれて、配管８１を介して噴霧される高温水と混合されて更に冷却される。
【００５６】
このように、熱交換器４５の出口の下流側において、配管６０Ａを流通する蒸気中に高温水を直接噴霧する混合器８２を設けることによって、熱交換器４５で低減した後の蒸気の温度を更に低減することができる。これにより蒸気の温度を飽和温度まで容易に低減するができ、この熱媒体の密度を増加することができる。従って、圧縮機第二段５３ｂの圧縮動力を更に低減することができ、第１の実施の形態と比較して更にエネルギー効率を向上することができる。また、高温水を蒸気に噴霧する量（噴霧量）は、上記のように蒸気が飽和温度になる程度のみに限られず、圧縮機第二段５３ｂで圧縮した後に全量が蒸気になる程度まで（若干湿り蒸気になるまで）噴霧しても良い。さらに、圧縮機第二段５３ｂの出口で水蒸気温度が熱利用施設１で利用する温度（本実施の形態のシステム内の各所においても、上記第１の実施の形態のような圧力・温度を設定する場合は、例えば１４０［℃］程度）になるように、混合器８２での高温水の噴霧量を調整するとエネルギー効率が良くなる。
【００５７】
なお、蒸気中に高温水を更に均一に混合したい場合には、混合器８２を熱媒体流通方向の上流側寄りに配置して混合距離を充分とることにより解決することができる。さらに、混合器の設置数は図２に示したように１つのみに限られず、少なくとも１つであれば足りる。即ち、配管６０Ａに複数設置して高温水の噴霧量を適宜調整しても勿論良い。
【００５８】
また、上記説明においては、蒸気中に高温水を噴霧するものとして混合器８２を挙げて説明したが、上記のような混合器を用いることなく、配管６０Ａに高温水を直接噴霧する例えば噴射口等を設けることによって蒸気と高温水を混合しても良い。また更に、上記説明においては、噴霧する熱媒体として高温水を例に挙げて説明したが、配管６０Ａ内を流通する蒸気の温度よりも相対的に低温の熱媒体であれば、上記と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
次に本発明の第３の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００６０】
図３は本発明の第３の実施形態に係るエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。図中、既出の図と同じ部分には同じ符号を付し説明は省略する。
【００６１】
図３に示すように、本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、圧縮機第一段５３ａの出口と熱交換器４５の入口を接続する配管６０Ｂに分岐部９０を設けて、分岐部９０から分流した蒸気を蒸気注入部９２から配管９１を介して燃料Ｂに直接注入することによって、燃料Ｂを更に加熱できるようにした点である。なお、その他については、前述した第１の実施の形態と同様であり、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００６２】
ヒートポンプ５０Ｂは、第１の実施の形態のヒートポンプ５０の構成に加えて、更に、圧縮機第一段５３ａの出口と圧縮機第二段５３ｂの入口を接続する配管６０Ｂに設けられ、この配管６０Ｂ中を流通する熱媒体（蒸気）を分流する分岐部９０と、この分岐部９０から熱媒体の一部が流通する配管９１と、燃料配管１５Ｂに設けられ、配管９１から供給される熱媒体を燃料配管１５Ｂ中に直接注入して燃料Ｂを加熱する蒸気注入部９２とを備えている。
【００６３】
分岐部９０は、圧縮機第一段５３ａの出口と熱交換器４５の入口の間に設けられ、配管９１に接続している。配管９１は分岐部９０と蒸気注入部９２とを連絡している。蒸気注入部９２は、燃料配管１５Ｂ内であって、熱交換器４５の出口と燃焼器１２の入口の間に設けられており、蒸気を直接燃料Ｂ内に注入して燃料配管１５Ｂを流通する燃料Ｂの温度を増加させている。
【００６４】
本実施の形態において、圧縮機第一段５３ａによって加圧された熱媒体（蒸気）は配管６０Ｂ内を流通して分岐部９０へ導かれる。この蒸気は、分岐部９０より配管９１を介して蒸気注入部９２へ導かれた後に、この蒸気注入部９２を介して燃料配管１５Ｂ内を流通する燃料Ｂ中へ直接噴出される。これにより熱交換器４５によって加熱された燃料Ｂは蒸気注入部９２を介して噴出される蒸気と混合されて更に加熱される。
【００６５】
このように、燃料配管１５Ｂ内であって、熱交換器４５の出口と燃焼器１２の入口の間において、熱交換器４５内を流通した燃料Ｂ中に蒸気を直接噴出する蒸気注入部９２を設けることによって、蒸気と燃料Ｂが混合して熱交換器４５で加熱した後の燃料Ｂを更に加熱することができる。これにより燃焼器１２への入熱量を更に増やすことができる。従って、第１の実施の形態で加熱したのと同量の燃料を用いた場合と比較して、更に燃焼器１２への入熱量を増やすことができるので、同じ燃焼条件を達成するために投入する燃料の量を更に削減することが可能となる。これによりエネルギー効率を更に向上させることができる。
【００６６】
また、燃料Ｂに蒸気が加わることで、燃焼器１２中で燃料Ｂを燃焼させた時に発生する燃焼ガス中に蒸気の粒が入り込み、これらの蒸気の粒の顕熱が火炎中に発生する局所的に高い熱を奪う。これにより燃焼ガスの局所温度ムラ、特に高温側の温度ムラを抑えることができ、ＮＯｘの発生を抑えることができる。一般に燃料加熱をすればＮＯｘは増加する傾向にあるが、本実施の形態を適用することでＮＯｘ発生が抑制可能であるので、熱交換器４５や蒸気等が燃料に与える熱量を更に増加することができる。また、燃料加熱量や蒸気混合量等の条件を適正化することにより、ガスタービン１０から排出される排出ガス中のＮＯｘ濃度を下げることができる（例えば１０［ｐｐｍ］以下）。これにより排熱回収ボイラ等に設けられた脱硝装置を省略することも可能となり、環境負荷も削減することができる。
【００６７】
なお、以上の各実施の形態では、熱利用施設に供給する熱媒体として水を用いる場合を説明してきたが、エネルギー供給システムが閉じた系を構成して外部に利用熱媒体の流出する恐れがない場合には、例えば二酸化炭素やアンモニア、トリフルオロエタノール等といった他の媒体を熱媒体に使用してもよい。また、こうした他の媒体を単独で熱媒体として用いても良いが、場合によっては複数種類を混合しても良いし、水と混合して使用しても勿論良い。また、本実施の形態の蒸気注入部９２も、第２の実施の形態の混合器８２と同様、蒸気と燃料Ｂの混合状態を更に均一にしたければ、燃料流通方向の上流側寄りに設置して混合距離を充分とればよく、また、設置数が図３のように１つに限られないことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係るエネルギー供給システムの全体構成を表すシステムフロー図である。
【符号の説明】
【００６９】
１      熱利用施設
１０    ガスタービン
１２    燃焼器
１３    タービン
１５    燃料配管
３０    排熱回収ボイラ
３５    循環ポンプ
４５    熱交換器
５０    ヒートポンプ
５１    蒸気タービン
５２    二相流膨張タービン
５３    多段圧縮機
５３ａ  圧縮機第一段
５３ｂ  圧縮機第二段
５４    熱交換器
６０    配管
７０    蒸気供給系統
８２    混合器
９２    蒸気注入部
【図１】
2007198200.tif 000003
【図２】
2007198200.tif 000004
【図３】
2007198200.tif 000005